研究背景
金属增材制造作为一种近净成形制造技术，通过逐层堆积材料的方式直接制造复杂几何形状的零部件，突破了传统制造在结构复杂度、材料利用率及设计自由度上的诸多限制，在航空航天、能源动力等高端领域展现出巨大的应用潜力。然而，尽管该技术具有许多优点，其固有的熔池凝固过程也带来了独特的挑战。其中，热裂纹作为一种危害极大的冶金缺陷，严重制约了增材制造构件的可靠性及工程应用。这种缺陷主要源于增材制造特有的非平衡凝固过程及复杂的热循环历史。特别在高温合金中，为了保证其高温下的服役性能，通常添加有多种合金化元素。在增材制造的快速凝固过程中，合金元素的严重偏析会产生一个较大的糊状区，这个薄弱的区域容易受复杂热应力的影响发生破坏，从而导致热裂纹的产生。
通常可以通过各种手段的晶粒细化（如添加细化剂，超声或者调整工艺参数等）来抑制增材制造中的热裂纹。增加晶界的密度可降低单位晶界上的热应力，从而降低裂纹形成的可能性。然而需要注意的是，在高温合金应用的高温环境下，晶粒细化策略可能会对蠕变等高温机械性能产生不利影响。此外，减少或消除在晶界处强烈偏析并形成低熔点液相的元素也被广泛认为是抑制裂纹形成的有效策略。但是鉴于其中某些元素对合金的高温性能至关重要，这种方法可能会导致合金关键性能的恶化。因此，在不牺牲其原有性能的前提下，开发简单高效的方法来抑制增材制造高温合金中的热裂纹仍是至关重要的目标。
成果简介
本文展示了一种在高温合金的增材制造过程中抑制热裂纹的新策略，该策略充分利用了合金中固有共晶液相的补缩潜力，因此不再需要额外的成分调整。Hastelloy X因其对热裂纹的显著敏感性被选中作为模型合金。研究结果表明，碳元素对三元共晶碳化物（γ/M23C6/M6C）的形成至关重要，这种低熔点的共晶具有独特的双刃剑效应：既可以是导致热裂形成的因素，又同时可以作为裂纹的“修复剂”。晶界处连续分布的共晶液膜会加剧热开裂，但进一步提高共晶分数能引发显著的液相补缩效应，充足的液相可及时填充裂纹萌生阶段由热应力产生的微裂纹，从而抑制裂纹扩展。得益于碳元素的在该合金体系内较低的凝固分配系数（k=0.21），其显著的偏析趋势使得即使微量的碳含量增加也可以在凝固末期强烈地促进共晶液相的形成，从而强化其填充裂纹、抑制热开裂的能力。
研究成果以“Manipulating intrinsic eutectic for hot cracking suppression and synchronous strengthening via segregation engineering in an additively manufactured superalloy”为题发表在国际著名期刊Acta Materialia上。西北工业大学凝固技术全国重点实验室李双明教授、钟宏副教授以及北京工业大学材料科学与工程学院杨鲁岩副教授、毛圣成教授、韩晓东教授为共同通讯作者。
图文导读
图1. 不同碳含量Hastelloy X合金的热裂特征
(a)不同碳含量合金的金相组织. (b)裂纹密度随碳含量的变化. (c)热裂纹形貌及分布特征.
图2. 四种典型碳含量Hastelloy X合金的组织表征.
(a-d)沉积态合金横、纵截面及晶界处的SEM组织特征. (e)三元碳化物共晶的HAADF图像及对应的EDS面扫. (f)[001]带轴下三相界面的原子级HAADF-STEM表征及对应的FFT图.
图3. 溶质元素的偏析.
(a)(b)胞状组织及胞壁处合金元素分布情况的EDS线扫. (c)(d)晶界处合金元素分布情况的APT表征.
图4. 裂纹表面及尖端的微观组织特征.
(a)裂纹表面岛状共晶组织的SEM、HAADF、EDS面扫及原子像表征. (b)裂纹表面的先共晶M23C6碳化物的SEM、HAADF、EDS面扫及原子像表征. (c)裂纹尖端SEM组织及主要合金化元素的分布. (d)热裂纹附近区域的EBSD表征. (e)裂纹表面附近位错滑移的TEM表征.
图5. 不同碳含量合金的力学性能.
(a)工程应力-应变曲线. (b)强度和塑性随碳含量增加的变化趋势. (c)真应力-应变曲线和加工硬化率曲线.
图6. 0.145C试样的变形行为.
(a)TEM双束成像显示变形初期平面多滑移特征. (b) ECCI显示共晶碳化物附近的位错塞积. (c)TEM双束成像显示弥散分布的M23C6碳化物对位错的阻碍. (d)HR-TEM图像显示SF和L-C lock. (e) HR-TEM图像显示SF束和9R相特征. (f)(g)变形孪晶的BF-TEM图像及对应的HR-TEM图像.
图7. 不同样品的断口形貌分析.
(a-g)不同碳含量合金的SEM断口形貌. (h)(i) 0.054C 和 0.250C 样品中平行于应力方向的断口截面组织.
图8. 热裂纹萌生与抑制机制的示意图.
(a)不同溶质浓度柱状枝晶的凝并示意图. (b)凝固末期剩余共晶液相形貌特征的三维示意图. (c)不同碳含量下共晶碳化物体积分数的变化以及高碳合金中高热应力区域的共晶液相补缩行为. (d)主要溶质的富集倾向. (e)(f)(g)Pandat软件计算出的C、Mo、Cr元素含量变化时不同合金的Scheil凝固曲线.
图9. 增材制造无裂纹高温合金的成分优化.
(a)镍基高温合金中常见合金元素的凝固分配系数,黄色标记区域(k<0.5)的合金元素具有更强的偏析潜力. (b)利用强偏析元素的微量调控促进共晶形成,并通过液相补缩以抑制热开裂的示意图. (c-f) 在0.085C样品中添加0.05 wt.% B元素的合金组织特征. SEM、TEM及EDS面扫的表征证明了大量γ+M3B2共晶的存在，B添加很好地抑制了热裂纹的形成。
总结
在本工作中，通过微量碳含量的调控，使得无需进行大规模的成分优化即可增材制造出无热裂纹缺陷的Hastelloy X合金。这一发现的核心在于低熔点三元碳化物共晶液相对热裂纹影响的两面性。在凝固的最后阶段保证适当的共晶液相的比例可以很好地抑制热裂纹的形成。碳元素的低凝固分配系数特性是促成这一现象的关键，其较强的偏析倾向使得即使是细微的含量增加也能很好的促进共晶的形成，从而增强其填充裂纹并防止裂纹产生的能力。当共晶碳化物含量超过3 vol.%时，增材制造Hastelloy X合金将不再出现热裂纹，此时对应的碳含量阈值为0.145 wt.%，符合Hastelloy X合金的规定名义成分。同时，得益于碳化物的弥散强化以及层错、L-C锁、变形孪晶等多种动态硬化机制的综合效应，无裂纹的样品在塑性未受影响的情况下表现出更高的强度。同时，这项研究为抗热裂增材制造高温合金的成分设计与优化提供了一种全新的视角，即并不需要消除或减少偏析元素的存在，而是利用强偏析溶质的特性来有意促进共晶的形成，建立一种内在的自我修复机制。这种方法不仅能够减少热裂纹的出现，还能在苛刻的应用环境中保持增材制造合金的整体性能。
论文链接
Manipulating intrinsic eutectic for hot cracking suppression and synchronous strengthening via segregation engineering in an additively manufactured superalloy. Acta Materialia 302 (2026) 121668.
图文:朱嘉锡，李双明
编辑:冯芳
责编:何峰
审核:禹亮
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